产品熔融沉积制造的碳排放特性及优化方法研究

摘要

制造业在为人类带来大量物质财富的同时，也因对资源的过度消耗而造成了严重的环境问题。为减少制造业的环境污染，适应可持续发展的社会需求，以节能减排为目标的“低碳制造”这一新型制造模式应运而生并很快成为学术界和工业界的研究热点。近年来，熔融沉积制造技术因其易加工复杂结构产品等诸多优点而被广泛推广，但却鲜有关于其制造过程碳排放的研究成果出现，因此关于熔融沉积制造过程的低碳制造方法和技术，具有重要的研究价值。针对此，本文对产品熔融沉积制造的碳排放特性与优化方法进行了研究。
　　首先，按来源对熔融沉积制造过程中的碳排放进行了分类，根据熔融沉积制造技术的工艺特点构建了各类碳排放与相应工艺过程之间的关系，从而确定了熔融沉积制造的碳排放量化边界。通过分析熔融沉积制造过程的物料流、能量流和废料流特征，研究了物料消耗、能源消耗和废料处理特点，继而推导出各类碳排放量化方法。
　　其次，为更深入的分析产品熔融沉积制造的碳排放特性，将其与切削制造的碳排放进行对比。通过对切削制造的碳排放进行分析，建立了切削制造的碳排放量化边界。为量化切削制造碳排放，对机床运行过程中各个阶段的功率动态特征进行了分析，并建立了因刀具消耗和切削液消耗所引起的碳排放量化模型。最后通过实验验证了所建立的两类碳排放量化模型的可行性。实验结果显示在熔融沉积制造中电能消耗所引起的碳排放所占比例最大。
　　最后，以减少熔融沉积制造过程的电能消耗为目的，定义了熔融沉积制造过程的能量效率。利用田口正交表和BP神经网络建立能量效率优化模型，采用自适应小生境遗传算法对能量效率进行了优化求解，并将优化结果在实验中进行了应用，取得了较好的应用效果。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 低碳制造

1．1．2 熔融沉积成型技术

1．2 国内外研究现状

1．2．1 各国关于能源问题和碳排放问题的应对措施

1．2．1 低碳制造的国内外研究现状

1．2．2 熔融沉积成型技术的国内外研究现状

1．3 论文研究意义与目的

1．4 论文主要内容与工作

第二章 熔融沉积制造碳排放量化研究

2．1 熔融沉积制造碳排放边界

2．2 物料碳排放解算

2．2．1 物料消耗的分类

2．2．2 物料碳排放的量化

2．3 能耗碳排放解算

2．3．1 能耗碳排放的量化

2．3．2 熔融沉积工艺子阶段划分与耗电量计算

2．3．3 去支撑阶段耗电量计算

2．3．4 精加工阶段耗电量计算

2．4 废料回收处理碳排放解算

2．5 本章小结

第三章 熔融沉积制造碳排放特性研究

3．1 熔融沉积制造碳排放量化结果分析

3．2 切削制造过程碳排放量化模型

3．2．1 切削制造碳排放边界

3．2．2 耗电碳排放解算

3．2．3 原材料碳排放解算

3．2．4 刀具碳排放解算

3．2．5 切削液碳排放解算

3．2．6 废料回收处理碳排放

3．3 碳排放量化结果对比研究

3．4 本章小结

第四章 熔融沉积制造能量效率优化方法

4．1 熔融沉积制造能量效率定义

4．2 基于田口法的能耗测试与分析

4．2．1 基于正交实验的能量效率测试

4．2．2 信噪比分析

4．3 基于BP神经网络的能量效率模型

4．4 基于自适应小生境遗传算法的能量效率优化

4．4．1 自适应小生境遗传算法概述

4．4．2 BP神经网络函数的建立

4．4．3 优化结果

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况